Nghiên cứu và đánh giá chuẩn mã hóa video HEVC

- ĐINH CÔNG MINH NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHUẨN MÃ HÓA VIDEO HEVC Chuyên ngành : Kỹ thuật máy tính và truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS.
- 8 DANH MỤC CÁC BẢNG.
- 13 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NÉN VIDEO SỐ VÀ CÁC CHUẨN NÉN.
- 16 1.1 Tổng quan về nén video số.
- 16 1.1.1 Khái niệm về kỹ thuật nén video số.
- 16 1.1.2 Các đặc điểm của nén tín hiệu số.
- 18 1.1.3 Các phương pháp nén.
- 19 1.1.3.1 Nén không mất thông tin.
- 19 1.1.3.2 Nén có không mất thông tin.
- 27 3 1.2.1 Chuẩn H.261.
- 27 1.2.2 Chuẩn H.262.
- 27 1.2.3 Chuẩn H.263.
- 27 1.2.4 Chuẩn H.264.
- 1 Những điểm nổi bật thiết kế và tính năng của mã hóa HEVC.
- 29 2.1.1.1 Cấu trúc đơn vị cây mã hóa (CTU) và khối cây mã hóa (CTB.
- 30 2.1.1.2 Đơn vị mã hóa(CU) và khối mã hóa (CB.
- 31 2.1.1.3 Đơn vị dự đoán (PU) và khối dự đoán (PB.
- 31 2.1.1.4 Đơn vị biến đổi (TU) và khối biến đổi (TB.
- 31 2.1.1.5 Tín hiệu hóa vector chuyển động.
- 32 2.1.1.6 Bù chuyển động.
- 32 2.1.1.7 Dự đoán trong ảnh.
- 32 2.1.1.9 Mã hóa Entropy.
- 33 2.3 Các kỹ thuật mã hóa video HEVC.
- 34 2.3.2 Phân chia hình ảnh thành đơn vị cây mã hóa.
- 35 2.3.4 Khối dự đoán (PB) và đơn vị dự đoán (PU.
- 35 2.3.5 Phân chia cây cấu trúc thành các đơn vị biến đổi và các khối biến đổi.
- 38 2.3.7 Dự đoán trong ảnh.
- 40 2.3.7.1 Phân chia khối dự đoán (PB.
- 41 2.3.7.2 Dự đoán Intra_Angular.
- 42 2.3.7.3 Dự đoán Intra-Planar and Intra-DC.
- 43 2.3.8 Dự đoán liên ảnh.
- 44 2.3.9 Mã hóa entropy.
- 50 2.3.9.3 Mã hóa hệ số.
- 55 CHƯƠNG III: THỬ NGHIỆM , ĐÁNH GIÁ CHUẨN NÉN HEVC VÀ SO SÁNH VỚI CHUẨN NÉN H.264.
- Các công cụ sử dụng để thử nghiệm và đánh giá.
- 58 3.2 Thử nghiệm và đánh giá.
- 58 3.2.1 Thử nghiệm 1: Đánh giá chất lượng video thông qua quá trình mã hóa H.265/HEVC ở các tốc độ bit khác nhau so với chuẩn H.264/AVC.
- 58 3.2.2 Thử nghiệm 2: Mối quan hệ giữa các tham số điều khiển tốc độ và tốc độ bit đầu ra giữa 2 chuẩn H264 và H265.
- 62 3.2.3 Thử nghiệm 3: Sử dụng phép đo lường Bjøntegaard-Delta Bit-Rate BD-BR.
- 65 3.2.4 Thử nghiệm 4: Tính toán so sánh tốc độ mã hóa giữa chuẩn HEVC với chuẩn AVC ở cùng 1 yếu tố tốc độ không đổi tương ứng.
- 81 6 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu được đưa ra trong luận văn này dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác.
- 7 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ kỹ thuật này được thực hiện tại Viện Công Nghệ Thông tin và Truyền Thông, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
- Nguyễn Kim Khánh đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.
- Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, Viện Đào Tạo Sau Đại Học đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu, tạo mọi điều kiện thuận lợi về mặt thủ tục cho hoạt động nghiên cứu của tôi.
- 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AVC Advanced Video Coding Mã hóa video tiên tiến ALF Adaptive loop filter Bộ lọc vòng lặp thích ứng AMVP Advanced motion vector prediction Dự đoán vector chuyển động tiên tiến BD-BR Bjøntegaard-Delta Bit-Rate Tốc độ bit delta Bjøntegaard BLA Broken Link Access Truy cập liên kết bị phá vỡ CABAC Context Adaptive Binary Arithmetic Coding Mã hóa số học nhị phân thích ứng ngữ cảnh CB Coding Block Khối mã hóa CPB Coded Picture Buffer Bộ đệm ảnh mã hóa CRA Clean Random Access Truy cập ngẫu nhiên sạch CRF Constant Rate Factor Yếu tố tốc độ không đổi CTB Coding tree block Khối cây mã hóa CTU Coding Tree Unit Đơn vị cây mã hóa CU Coding Unit Đơn vị mã hóa DBF Deblocking Filter Bộ lọc bỏ khối DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc DPB Decoded Picture Buffer Bộ đệm ảnh giải mã DPCM Differential Pulse Code Modulation Điều chế xung mã vi sai DST Discrete sine transform Biến đổi sin rời rạc GOP Group Of Pictures Nhóm ảnh HD High Definition Độ nét cao HEVC High Efficiency Video Coding Mã hóa video hiệu suất cao HPVC High Performance Video Coding Mã hóa video hiệu suất cao 9 IDR Instantaneous Decoder Refresh Làm tươi bộ giải mã tức thời IEC International Electrotechnical Commission Ủy ban điện tử quốc tế IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Viện kỹ sư điện và điện tử ISO International Standardization Organization Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ITU-T ITU Telecommunication Standardization Sector Đơn vị tiêu chuẩn hóa viễn thông của ITU JCT-VC Joint Collaborative Team on Video Coding Đội hợp tác chung về mã hóa video JPEG Joint Photographic Expert Group Nhóm hợp tác các chuyên gia đồ họa JVT Joint Video Team Đội video hợp tác KTA Key Technical Areas Các khu vực kỹ thuật chủ yếu LP Leading Picture Ảnh cách quãng MB Macro Block Khối macro MC Motion Compensation Bù chuyển động MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia về hình ảnh động MPM Most Probable Modes Chế độ có thể xảy ra nhất MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình MV Motion Vector Vectơ chuyển động NAL Network Abstraction Layer Lớp trừu tượng hóa mạng NGVC Next-Generation Video Coding Mã hóa video thế hệ tiếp theo PB Prediction Blocks Khối dự đoán POC Picture Order Count Số đếm thứ tự ảnh PSNR Peak Signal To Noise Ratio Tỉ số tín hiệu đỉnh trên nhiễu 10 PU Prediction Unit Đợn vị dự đoán QP Quantization Parameter Tham số lượng tử hóa RADL Random Access Decodable Leading Cách quãng có thể giải mã truy cập ngẫu nhiên RAP Random Access Point Điểm truy cập ngẫu nhiên RASL Random Access Skipped Leading Cách quãng được bỏ qua truy cập ngẫu nhiên RD Rate-Distortion Biến dạng-Tỷ lệ RLC Run-Length Coding Mã hóa với độ dài ( của từ mã ) động RMS Root Mean Square Sai lệch bình phương trung bình RPS Reference Picture Set Tập hợp ảnh tham chiếu RTP Real-time Transport Protocol Giao thức vận chuyển thời gian thực SAO Sample Adaptive Offset Bù đắp thích ứng mẫu SEI Supplemental Enhancement Information Thông tin tăng cường bổ sung SPS Sequence Parameter Set Bộ tham số trình tự STSA Stepwise TSA Truy cập lớp con theo thời gian bậc thang SVC Scalable Video Coding Mã hóa video có khả năng mở rộng TB Transform Block Khối biến đổi TSA Temporal Sublayer Access Truy cập lớp con theo thời gian TU Transform Unit Đơn vị biến đổi URQ Uniform Reconstruction Quantization Lượng tử hóa tái thiết đồng nhất VCEG International Electrotechnical Commission Ủy ban điện tử quốc tế VCL Variable Length Coding Mã hóa với độ dài ( của từ mã) thay đổi VPS Video Parameter Set Bộ tham số video VUI Video Usability Information Thông tin khả dụng video WPP Wavefront Parallel Processing Xử lý song song wavefront 11 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Phân loại, ý nghĩa và các lớp kiểu đơn vị NAL.
- 34 Bảng 2.2 Các hệ số bộ lọc cho phép nội suy lấy mẫu phân đoạn chói.
- 46 Bảng 2.3 Các hệ số bộ lọc cho phép nội suy lấy mẫu phân đoạn chroma.
- 48 Bảng 2.4 Các loại mẫu EdgeIdx trong các lớp cạnh biên SAO.
- 54 Bảng 3.1 Kết quả tính toán PSNR của các chuỗi video thử nghiệm ở các tốc độ bit khác nhau.
- 60 Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm mối quan hệ giữa yếu tố tốc độ không đổi và tốc độ bit đầu ra giữa 2 chuẩn H.264 và H.265.
- 3 Các chuỗi video thử nghiệm.
- 4 Kết quả tính toán PSNR và đo tốc độ bit của các chuỗi video đầu ra.
- 5 Tiết kiệm tốc độ bit HEVC ( bao gồm tiết kiệm BD-BR) với PSNR YUV bằng nhau.
- 6 Kết quả của tốc độ mã hóa các chuỗi video thử nghiệm với các yếu tố tốc độ không đổi tương ứng.
- 7 Tốc độ mã hóa của HEVC so với AVC với các chuỗi video có PSNR tương ứng bằng nhau.
- 1 Mô hình hệ thống nén Video.
- 2 Dự đoán bù chuyển động một chiều và hai chiều.
- 26 Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ mã hóa HEVC.
- 29 Hình 2.2 Chế độ chia tách một CB thành PBs.Đối với những dự đoán trong ảnh chỉ có M × M và M / 2 × M / 2 được hỗ trợ.
- 36 Hình 2.3 Chia nhỏ một CTB thành các CB [khối biến đổi (TB)].Đường liền chỉ ra các biên CB và đường chấm chỉ ra các biên TB.
- 38 Hình 2.4 Chia nhỏ của một ảnh thành mảng (a) và tile (b), minh họa quá trình xử lý song song wavefront (c.
- 40 Hình 2.5 Các chế độ và các hướng cho dự đoán hình trong ảnh.
- 41 Hình 2.6 Vị trí lấy mẫu số nguyên và phân đoạn cho phép nội suy thành phần chói.
- 44 Hình 2.7 Ba chế phương pháp quét hệ số trong HEVC.(a) Quét đường chéo lên- bên phải.
- 50 Hình 2.8 Bốn dạng gradient sử dụng trong SAO.
- 52 Hình 3.1 Đồ thị thể hiện PSNR của chuỗi video thử nghiệm ở các tốc độ bit khác nhau.
- 2 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa yếu tố tốc độ không đổi và tốc độ bit đầu ra giữa 2 chuẩn H.264 và H.265.
- 3 Tính toán tiết kiệm tốc độ bit BD-BR.
- 4 (a)(c) Các đường cong R-D và (b)(d) biểu đồ tiết kiệm tốc độ bit tương ứng cho một số ví dụ điển hình của chuỗi thử nghiệm.
- Ngoài ra, các bộ vi xử lý mới ngày càng có tốc độ cao hơn rất nhiều, cùng với tốc độ internet được cải thiện đáng kể đã giúp việc truyền tải một bộ phim nhanh chóng và xem chúng được mượt mà hơn.
- Vì thế nhu cầu cần một chuẩn nén video mới hiệu quả hơn nhằm giảm tải áp lực cho hệ thống ngày càng bức thiết hơn.
- Nó tạo ra sự đột phá, cho phép nén video một cách tốt hơn đồng thời cải thiện được chất lượng so với các chuẩn trước đó.
- HEVC tăng gấp đôi tỉ lệ nén dữ liệu so với H.264/AVC tại cùng một chất lượng video.
- Các tập tin nén video sẽ là một nửa kích thước của tệp video nén với H.264.
- Nó cũng có thể cải thiện chất lượng video tại cùng một tốc độ bit.
- Vì vậy, tôi đã chọn việc nghiên cứu và đánh giá chuẩn H.265/HEVC làm luận văn với đề tài: “Nghiên cứu và đánh giá chuẩn mã hóa video HEVC”.
- Lịch sử nghiên cứu Nhóm các chuyên gia mã hóa video ITU-T (VCEG) đã bắt đầu nghiên cứu về thế hệ tiếp theo của chuẩn H.264/MPEG-4 AVC từ năm 2004, bằng cách phát triển ra 1 chuẩn nén video mới hoàn toàn, hoặc chọn tiếp tục phát triển từ H.264.
- Các kĩ thuật khác nhau để nâng cao tiềm năng của chuẩn H.264/MPEG-4 AVC được khảo sát trong tháng 10 năm 2004.
- Tại cuộc họp tiếp theo của VCEG trong tháng 1 năm 2005, VCEG bắt đầu chỉ định một số khu vực kĩ thuật quan trọng (Key Technical Areas – KTA) cho mã hóa video thế hệ tiếp theo ( Next-generation Video Coding – NGVC).
- Một cơ sở mã hóa phần mềm là KTA Codebase [9] cho NGVC đã được phát triển dựa trên mô hình chung của MPEG và VCEG cho H.264.
- Yêu cầu về chất lượng của NGVC được đề ra là giảm bitrate còn một nửa mà vẫn giữ nguyên chất lượng so với H.264, ở tất cả các profile, hoặc giảm 25% tốc độ bit cùng với độ phức tạp giảm 50%, hoặc thậm chí giảm tốc độ bit hơn nữa và tăng mức độ phức tạp trong khi mã hóa lên.
- MPEG đã bắt đầu nghiên cứu dự án tương tự vào năm 2007, lấy tên là HPVC - High Performance Video Coding, nhưng tốc độ bit trung bình chỉ giảm 20% so với AVC High Profile, điều này đã dẫn đến sự hợp tác với VCEG của MPEG.
- Cuộc họp vào tháng 4 năm 2010 đã tiến hành lập ra nhóm JCT-VC và các kĩ thuật mã hóa được đem ra bàn thảo, tổng cộng có hơn 27 đề xuất được gửi [5].
- Các thử nghiệm cho thấy rằng H.265 có thế đạt tỉ suất nén cao gấp đôi so với H.264.
- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu các khái niệm về nén video và một số chuẩn mã hóa video tiền nhiệm của HEVC.
- Đồng thời tìm hiểu tổng quan về chuẩn mã hóa HEVC và tiến 15 hành thử nghiệm đánh giá hiệu suất mã hóa của H.265/HEVC so với chuẩn H.264/AVC.
- Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu và đánh giá hiệu suất của chuẩn mã hóa video HEVC so với chuẩn mã hóa tiền nhiệm.
- Phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung đưa ra một cái nhìn tổng quan về chuẩn mã hóa HEVC bao gồm : những điểm nổi bật trong thiết kế và tính năng, cú pháp mức cao, các kỹ thuật mã hóa, cấu hình, tầng và mức của chuẩn mã hóa HEVC.
- Từ đó đưa ra các thử nghiệm nhằm đánh giá hiệu suất mã hóa của chuẩn HEVC so với các chuẩn mã hóa tiền nhiệm , cụ thể ở đây là chuẩn mã hóa H.264/AVC ngay trước nó.
- Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả Luận văn trình bày tổng quan về nén video số và một số chuẩn nén tiền nhiệm của HEVC.
- Trình bày những điểm nổi bật về thiết kế và các tính năng của chuẩn mã hóa HEVC, cú pháp mức cao và các kỹ thuật mã hóa video.
- Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu suất HEVC, nhằm làm rõ mục tiêu của HEVC là giảm một nửa bitrate so với H.264/AVC mà vẫn đạt chất lượng tương đương.
- Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn tôi sử dụng phương pháp thu thập và xử lý thông tin bao gồm: Phương pháp thu thập thông tin: phương pháp nghiên cứu tài liệu kết hợp với kết quả thực nghiệm.
- Phương pháp xử lý thông tin: xử lý toán học đối với các thông tin định lượng, sử dụng phương pháp thống kê để xác định xu hướng diễn biến của tập hợp số liệu thu thập được, tức là xác định quy luật thống kê của tập hợp số liệu.
- 16 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NÉN VIDEO SỐ VÀ CÁC CHUẨN NÉN 1.1 Tổng quan về nén video số 1.1.1 Khái niệm về kỹ thuật nén video số 1.1.1.1 Khái niệm Nén về cơ bản là một quá trình trong đó lượng số liệu (data) biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu video.
- Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống nhau, vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm không mất thông tin hình ảnh.
- Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể được dự báo, do đó chỉ cần truyền các thông tin về chuyển động.
- Các phần tử lân cận trong ảnh thường giống nhau, nên chỉ cần truyền các thông tin biến đổi.
- Nguồn Video khôi phục Giải mã video Mã hóa video Biểu diễn thuận lợi Lượng tử hóa Gán từ mã Xử lý kênh Giải từ mã Giải L.T.H Biểu diễn thuận lợi

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt